配網一二次融合柱上開關抽檢典型問題分析

由凱，陳偉，王歡，胡加瑞，鄧穩星，陳小容

(1.國網湖南省電力有限公司電力科學研究院，湖南 長沙 410007；2.陸軍裝備部駐長沙地區軍事代表室，湖南 長沙 410000；3.國網湖南省電力有限公司，湖南 長沙 410004；4.湖南省湘電試驗研究院有限公司，湖南長沙 410004)

0 引言

電力設備質量是影響電網安全穩定運行的關鍵因素，設備抽檢作為物資質量監督的重要手段，在保障電網安全穩定運行中發揮了重要的作用[1]。國網湖南省電力有限公司物資質量檢測中心近年來大力開展物資檢測能力建設，在物資質量監督方面取得了顯著成效[2]。本文針對配網一二次融合柱上開關設備抽檢發現的兩起典型設備質量問題，結合一二次融合開關在配電網應用中暴露的問題[3-4]，對現階段一二次融合柱上開關設備存在的關鍵問題進行分析并提出改進措施。

1 設備抽檢情況

兩起抽檢問題中開關設備型號為ZW32-32/630-20，相電流互感器變比為600∶5，零序電流互感器變比為20∶1。不合格試驗項目均為溫升試驗不合格，溫升異常位置都在電流互感器外殼處。試驗時，測溫元件布置在三相接線引出端子，互感器位置采用紅外成像儀進行觀測。典型試品溫升試驗數據見表1，異常位置溫度分布情況如圖1所示。

表1 溫升試驗數據 K

圖1 溫升異常處溫度分布情況

從試驗結果來看，兩臺試品觸頭部位穩定溫升均未超過標準規定，但三相電流互感器外殼處溫升明顯異常，最高達100 K以上，其中試品1溫升最高點為互感器二次出線套管，如圖1(a)所示，試品2溫升最高點為中間相互感器外殼邊緣處，如圖1(b)所示。另外從升溫速度來看，在額定電流下試驗進行至15～30 min時，互感器溫度便劇烈上升。

依據GB/T 11022—2020《高壓交流開關設備和控制設備標準的共用技術要求》，開關鍍銀或鍍鎳的觸頭部分溫升不應超過65 K，正常操作中可觸及的部件溫升不超過30 K[5]，但對互感器部分的溫升未做明確要求。由于國標未作明確要求，針對柱上開關溫升試驗，目前國內檢測機構通常在觸頭部位進行溫度測量布點，而未測量互感器部分的溫度，難以發現此類互感器問題。對同一臺斷路器送至第三方權威檢測機構進行檢測比對，由于未測量互感器溫升，檢測結果判定為合格。

針對此問題，發現的斷路器電流互感器部分溫升過高問題如何判定，以及針對一二次融合柱上斷路器的溫升標準化測試流程，均有待進一步研究[6-7]。

2 結構及工作原理分析

2.1 一二次融合柱上開關電流互感器結構形式

目前一二次成套斷路器互感器部分多采用三相一體式設計，零序電流互感器和相電流互感器澆筑成整體，互感器的外殼包括三個中空部，其中相電流互感器A、B、C二次繞組分別纏繞在放置于中空部位的鐵芯上。零序電流互感器通常有兩種設計方式，一種是采用零序電流互感器整體穿過三相出線，互感器二次側輸出零序電流；另一種是采用3個單相互感器分別穿過每相，二次側并聯輸出零序電流，如圖2所示[8]。圖中，AS、BS、CS為相電流互感器，OS為零序電流互感器。

圖2 一二次融合柱上開關互感器一次原理

2.2 電流互感器工作原理

電流互感器運行時一次側等值電路如圖3所示[9]。其中I1、I2′、I0分別為一次電流、二次等值電流、勵磁電流；Z0、R0、X0分別為勵磁回路阻抗、電阻和電抗，Z2′、R2′、X2′為二次繞組等值阻抗、電阻和電抗，Zz′、Rz′、Xz′為二次負載等值阻抗、電阻和電抗。

圖3 電流互感器一次側等值電路

根據等值電路圖，有:

式(3)中，I2為二次電流；Kn為互感器變比。

正常運行時，電流互感器二次側處于短路狀態[10]，由于二次繞組電阻很小，理想情況下，可認為Z2′+ZZ′=0；因此勵磁電流I0≈0，I1=-I2′=-Kn×I2。實際應用中，由于互感器內部損耗和負載損耗的存在，勵磁電流不等于0，勵磁電流的存在導致互感器存在變比誤差[11-12]。

2.3 電流互感器發熱常見原因

1)二次繞組開路運行。電流互感器二次回路閉環運行時，二次電流對一次電流產生去磁作用，勵磁電流接近為0，鐵芯中總磁通很小。當二次繞組開路后，二次電流I2′=0，由式(1) 可知，I0=I1，一次電流全部用來勵磁，使得鐵芯內部磁通密度巨幅增加，鐵芯磁飽和導致內部發熱[13]。

2)二次負載電阻接線錯誤或接觸不良。根據式(2)，當二次負載電阻接線錯誤或接觸不良導致負載電阻增大時，會引起勵磁電流增加；當二次負載電壓超過電流互感器拐點電壓時，鐵芯內部磁飽和而發熱[14]。

3 試驗情況及故障原因分析

3.1 試驗情況

為判斷互感器內部是否存在開路或接觸不良問題，對開關相電流互感器和零序電流互感器進行常規試驗檢查，以試品1為例，具體數據見表2。

表2 互感器試驗檢查結果

根據試驗數據分析，三相電流互感器變比和銘牌值一致；二次繞組直流電阻正常，內部無開路問題；拐點電壓和和其他同類型合格產品相比，基本無偏差。零序電流互感器常規試驗整體數據無異常，可排除互感器內部存在開路或接觸不良的問題，為進一步確定問題所在，需進行解體檢查。

3.2 解體檢查情況

對不合格典型試品進行解體，其互感器部分內部情況如圖4所示。其中零序電流互感器是采用3個單相互感器分別穿過每相并聯輸出零序電流，零序電流二次出線位置為B相套管。

圖4 互感器內部燒損后解體情況

通過解體發現，試品1零序電流互感器B相線圈、鐵芯因溫度過熱已損壞，二次出線燒斷；溫升試驗時發熱點位置位于B相二次出線套管，正好為零序電流互感器二次出線側并聯處。試品2零序電流互感器燒損，同時二次繞組纏繞工藝存在問題，未均勻分布。

3.3 解體后試驗情況

對解體后的開關再次進行溫升試驗，在施加額定電流時，在極短時間內零序互感器二次繞組溫度劇烈上升，如圖5所示。可以看出發熱部位為互感器二次繞組導體部分，二次繞組在承受額定電流時發熱是問題根本原因所在，同時試品2(圖5(b))和試品1(圖5(a))相比，繞組纏繞密集的部位發熱尤其嚴重，制造工藝存在較大缺陷。

圖5 解體后的溫升試驗情況

3.4 原因分析

根據試驗數據分析及解體檢查情況，以上一二次融合柱上開關抽檢溫升不合格問題均是內部零序電流互感器質量問題導致。由于采用了3個單相互感器并聯輸出零序電流的設計方式，20∶1的變比下單相互感器二次電流達30 A(三相電流合成后的零序二次電流趨近于0 A)，而此單相互感器二次繞組線徑過小，經測量不足1 mm2，通流能力嚴重不足是導致互感器發熱的主要原因。另外試品2的零序互感器繞組纏繞工藝存在極大缺陷，加劇了繞組內部的發熱問題。

4 結語

一二次融合柱上開關零序電流互感器質量問題出現頻度高、影響范圍廣，對配電網安全穩定運行帶來極大隱患，且受抽檢試驗方法和標準影響，在以往基本未發現此類問題。

為提升物資質量監督成效，提出如下建議:

1)在制造環節加強零序電流互感器設計選型，應仔細校驗三相合成式結構二次額定電流，確保滿足設計要求。

2)完善一二次融合柱上開關招標技術規范要求，明確互感器部分的溫升極限，將互感器部分的溫升與開關殼體其他部分比對情況作為評判依據。

3)強化對一二次融合柱上開關的抽檢，加強對內部互感器性能的試驗驗證，特別是提升溫升試驗覆蓋率。

4)優化試驗流程及方法，開展一二次融合柱上開關溫升試驗時，必須在互感器部分布置溫度探頭，或者采用紅外測溫方法進行測量。